中國(guó)粉體網(wǎng)訊 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉思金研究組在納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與毒理機(jī)制方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果近期陸續(xù)發(fā)表于ACS Nano (Xu, et al. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04906), ACS Applied Materials & Interfaces (Bai, et al. 2018, 10: 20368-20376), ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang, et al. 2018, 6: 10374-10384; b) Wang and Liu, 2018, 6:4164-4173), Nanoscale (Wu, et al. 2018, 10: 14637-14650), NPG Asia Materials (Qi and Liu, et al. 2018, 10: 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi, et al, 2018, 2: 222-232)。
納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)與生物效應(yīng)主要決定于材料自身的物理化學(xué)性質(zhì)。如何系統(tǒng)全面地揭示納米材料理化特性決定的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，一直都是環(huán)境健康研究領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題與挑戰(zhàn)。為了回答這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，該課題組與德國(guó)漢堡大學(xué)教授Wolfgang J. Parak課題組開(kāi)展了深入的合作研究，以金納米顆粒（gold nanoparticles, AuNPs）作為研究模型，歷經(jīng)4年多的共同努力，在分子、細(xì)胞與動(dòng)物水平上，考察了21種具備不同理化性質(zhì)AuNPs的細(xì)胞毒性、與生物分子相互作用、蛋白冠形成、細(xì)胞吞噬和體內(nèi)組織分布等生物作用行為的異同（圖1）�；诖罅康膶�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性地運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（hierarchical cluster analysis）尋找理化性質(zhì)的決定機(jī)制和構(gòu)效關(guān)系機(jī)制，發(fā)現(xiàn)眾多的物理化學(xué)性質(zhì)與環(huán)境條件等因素綜合在一起決定了AuNPs的生物行為與效應(yīng)，其中水合粒徑與表面電荷的影響更顯著（圖1）。此發(fā)現(xiàn)為納米材料的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和毒性預(yù)測(cè)等相關(guān)研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano。同時(shí)，與合作伙伴一起利用計(jì)算模型揭示了納米顆粒物與生物分子的相互作用機(jī)制，相關(guān)成果發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。
目前，關(guān)于金屬納米材料（MNPs）的安全性評(píng)價(jià)仍存在諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如多數(shù)研究集中于MNPs所導(dǎo)致的某個(gè)單一毒性通路，而沒(méi)有系統(tǒng)地考慮多種毒性通路的交互作用；而且多數(shù)研究采用高劑量暴露，不能有效地反映實(shí)際環(huán)境暴露條件下MNPs的健康風(fēng)險(xiǎn)。為此，該研究選擇了多種MNPs（包括稀土納米材料、納米銀、鐵氧化物納米材料、納米氧化鋅和納米二氧化鈦等），采用低劑量暴露，從多個(gè)角度系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了MNPs對(duì)巨噬細(xì)胞的不良結(jié)局：細(xì)胞活力降低和死亡、氧化應(yīng)激損傷、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞膜/細(xì)胞骨架損傷和吞噬能力降低等，發(fā)現(xiàn)了不同MNPs誘發(fā)細(xì)胞不良結(jié)局和相關(guān)毒性通路的異同，并進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和歸納，如圖2所示。相關(guān)研究成果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基礎(chǔ)上，該課題組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)等MNPs誘發(fā)胚胎發(fā)育毒性的分子作用機(jī)制，相關(guān)研究成果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。
作為極具應(yīng)用前景的碳納米材料，石墨烯類(lèi)納米材料在環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。目前對(duì)于石墨烯類(lèi)納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)已展開(kāi)了很多研究，但是對(duì)于此材料在環(huán)境介質(zhì)和生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過(guò)程及此轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)其生物效應(yīng)的影響了解甚少。為了揭示這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，該課題組系統(tǒng)探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在環(huán)境介質(zhì)和體內(nèi)肺生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過(guò)程和毒性變化。該研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)境介質(zhì)中還原劑的作用下GO發(fā)生顯著的還原并轉(zhuǎn)化為還原態(tài)氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO與RGO具有不同的含氧官能團(tuán)并表現(xiàn)出顯著不同的賦存形態(tài)，最終導(dǎo)致對(duì)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生顯著差異的毒性效應(yīng)（圖3）。相關(guān)成果發(fā)表于Nanoscale。該課題組也揭示了GO在肺內(nèi)生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過(guò)程與毒性及相關(guān)功能變化，研究成果發(fā)表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。
以上研究工作得到“973”項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)B和國(guó)家基金委項(xiàng)目的支持。
圖1. 21種具備多維度物理化學(xué)性質(zhì)AuNPs生物行為與效應(yīng)異同的聚類(lèi)分析種具備多維度物理化學(xué)性質(zhì)AuNPs生物行為與效應(yīng)異同的聚類(lèi)分析
圖2. 金屬納米材料誘發(fā)巨噬細(xì)胞不良結(jié)局和相關(guān)毒性通路差異的示意圖
圖3. 氧化石墨烯環(huán)境生物轉(zhuǎn)化決定的毒性效應(yīng)變化機(jī)制示意圖
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